如何实现气相二氧化硅的疏水化改性,佳美机械梅工18540392279

气相二氧化硅，俗称气相法白炭黑，是由硅的卤化物在氢氧火焰中高温水解生成的无定形纳米级非金属氧化物颗粒，其表面存在不饱和键和不同键态的羟基（孤立羟基、邻位羟基、双重羟基等），经分散后可在油性体系中极易通过相互间的氢键缔合形成均匀的三维网状结构，从而赋予材料更高强度、触变性能和防沉降性能，使其在硅橡胶、涂料、油墨、密封胶等领域有着广泛应用。不过，表面过多的硅羟基使得气相二氧化硅呈现很强的亲水性，吸附水分子的同时，也容易使它与有机物的相容性下降，因此，为了保证使用效果，需要有针对性地对气相二氧化硅进行表面改性处理。

气相二氧化硅常用改性剂有哪些？

目前工业上，气相二氧化硅的改性主要是通过化学工艺使白炭黑表面的羟基与改性剂发生反应，消除或减少表面的硅醇基，使其表现出疏水性，来增强与有机溶剂的相容性与分散性。目前常用的改性剂包括硅烷偶联剂和有机卤硅烷等有机硅类、醇类、胺类化合物等。

1、有机硅类

硅烷偶联剂是常用的改性剂，通常其结构以Y-R-SiX3表示，其中含有具反应性的官能团（Y-氨基、乙烯基、甲基丙烯酰氧基、巯基、环氧基等有机官能团）可与有机高分子基料中的官能团反应键合，提升气相二氧化硅与有机物的相容性；而另一端水解后的烷氧基（如甲氧基、乙氧基）与硅微粉表面Si-OH基作用，并在加热条件下，经过水解、缩合、形成氢键、形成共价键4个过程，可使得硅烷偶联剂与硅微粉之间形成牢固的Si-O-Si共价键，成为连接有机高分子基料与硅微粉之间的纽带。

乙烯基三乙氧基硅烷改性原理

不过，需要注意的是，在硅烷偶联剂的这两类性能互异的基团中，Y基团作为与有机物直接键合的基团，决定了硅烷偶联剂的应用效果，只有当Y基团能和对应的有机物基体起反应时，才能更好地提高应用效果。目前常用的硅烷偶联剂有六甲基二硅氮烷、六甲基乙烯基硅氮烷、乙烯基乙氧基硅烷等。

此外，采用硅烷偶联剂对纳米二氧化硅进行表面改性时，偶联剂需要先水解，才能与纳米二氧化硅反应。而其水解产物可能会发生自缩合，对水解产物与二氧化硅表面羟基的反应造成阻碍，在一定程度上降低偶联的效能，使纳米二氧化硅的表面改性不完全。

2、醇类化合物

采用醇类化合物作为改性剂，醇类化合物中的羟基与纳米二氧化硅表面的羟基发生脱水缩合，生成一个硅氧烷键（Si-O-R），同时释放出一分子水（H2O），也可以达到改变二氧化硅表面润湿性的目的。

与硅烷偶联剂相比，采用醇类化合物的优点在于改性剂脂肪醇的价格较低廉，易于合成且结构容易控制。但改性效果受醇的烷基链长度的影响，通常碳原子大于8个时纳米二氧化硅表面改性会较明显，同时反应还需要在高温高压下进行，对反应条件要求较高。

3、胺类化合物

胺类有机化合物含有伯胺、仲胺等高吸附力基团，可与气相二氧化硅表面的羟基发生缩聚反应，形成新的化学键，并生成氨气。不过，由于氨气是有毒且具有刺激性的气体，在工业操作中需要考虑反应的安全性和控制，并采取适当的防护措施。

3、其他

在气相二氧化硅的改性中，枝接聚合物是一种有效的方法，通过将聚己内酯（PCL）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯、聚硅氧烷等聚合物链枝接到气相二氧化硅表面，不仅可以改变气相二氧化硅的表面性质，还可以赋予其额外的功能，如增强机械强度、改善热稳定性或提供特定的化学反应活性。但该方法工艺较为复杂，需要根据功能和材料本身性质，选择合适的枝接方法和功能性基团，实现精准改性。

气相二氧化硅化学改性工艺

气相二氧化硅的表面改性主要分为干法和湿法两种：

1、干法改性

干法改性主要是使干燥的气相二氧化硅与有机硅烷蒸汽在改性设备中直接接触并进行反应，采用的典型改性设备有流态化床式改性机。在流态化床式改性机中，有机硅烷蒸汽以适当的速度通过固定床层中的颗粒时，随着气体流速的增加，颗粒之间的摩擦力逐渐被气体提供的升力所克服，颗粒开始悬浮并自由运动，形成流态化床。在流态化状态下，颗粒与有机硅烷气体之间具有良好的接触和混合，并极大地提高了传质和传热效率，能够有效实现改性的目的。

流化床改性机原理

通常，这种改性方式可将改性装置可直接连在气相二氧化硅生产装置脱酸工序的前后，过程简单，后处理工序少，还可避免其他方法因使用苯、甲苯等有机溶剂造成的环境污染，易于规模化生产。但为了达到良好的改性效果，需要消耗大量的改性剂，同时操作条件严格，对设备要求高，导致产品成本升高。

2、湿法改性

湿法改性是指将气相二氧化硅和改性剂加入到有机溶剂中，然后把它们加热煮沸、回流，再分离，然后干燥得到最终产品。目前，湿法工艺主要采用可控温反应釜和搅拌反应罐作为改性设备，其一般做成带夹套的内外两层，夹套内通入加热介质如蒸气、导热油等，一些较简单的表面改性罐也可采用电加热。相比干法改性，这种方法工艺简单，产品质量容易控制，改进剂消耗量小，但需要对产品进行后处理，容易造成污染，且难实现规模化工业生产。

湿法改性设备通用结构